教室灯光自动控制系统

教室灯光自动控制系统（精选八篇）

教室灯光自动控制系统 篇1

1 教室灯光自动控制整体描述

1.1 灯光控制总体思想

该系统以AT89S52单片机[2,3]作为控制装置的智能部件,采用热释红外人体传感器检测人体的存在,采用光敏三极管构成的电路检测环境光的强度;根据教室合理开灯的条件,系统通过对人体的存在信号和环境光信号的识别和智能判断,完成对教室照明回路的智能控制。整体系统由人体传感器感应信号,再送入单片机进行处理,再由单片机控制控制教室灯光。同时将环境亮度检测、人工控制、报警控制等功能加入到系统中。

1.2 灯光控制方案分析

本电路具有对教室内的人数进行统计和对光照情况进行鉴定的功能,并对灯光进行实时控制,达到方便和节约能源的目的。电路有两种控制方式:自动控制状态和强制执行状态[4,5,6]。

自动控制状态:电路上点复位后自动处于自动控制状态,当环境光照充足时且教室光照强度大于设定值时,不管有没有人,灯都不亮。若教室光照强度小于设定值,控制会根据人数多少来确定灯的开关,如果有人进入教室,红外传感器感应到后把信号经过隔离缓冲送到CPU且数码显示电路显示人数为1,同样再有人进出则显示器上数字自动加减1。

强制执行状态:在电路正常工作的情况下,按下强制开关可以通过人对教室灯进行强行控制,再通过按下此按钮也可以恢复到自动控制状态[6]。

2 硬件电路设计

2.1 控制核心模块

采用STC89C52单片机处理芯片[5],其特点是外围电路简单,价格低廉,虽然此款单片机的工作频率相对较低,但设计对频率要求不高,能够满足设计的要求。另外此款单片机有32个I/O端口,方便了设计需要。因为51单片机的P0口驱动电流小,因此需要外加上拉电阻。单片机最小系统主要还有晶振电路以、复位电路、及报警电路。由于蜂鸣器需要的驱动电流较大,单片机I/O端口不能直接驱动,所以通过一个三极管进行电流放大。当教室里面没有人时系统会通过热释电红外感应无人信息,传递给单片机进行处理后使教室里的灯全部关闭。直到下次有人进来时才点亮。

2.2 教室人数检测模块

热释电红外传感器采集到的信号首先由BISS0001芯片[1]在不可重复触发工作方式下经一、二级运算放大器、双向鉴幅器、延时器等处理后变成比较标准的高低电平后,将此标准信号接到单片机上的P2口上,并对相应引脚通过软件方法对引脚信号进行检测来统计进入教室的学生人数。另外也可以将它接到中断引脚采用外部中断的方法将采集到得信号转化成统计的进入到教室里的人数。系统采用普通引脚信号检测的方法用两个热释电红外传感器:一个放在前门用于感应进来教室的人体信号;另一个放在后门用来感应从教室出去的人体信号,实现对进出教室的人数的检测。

2.3 教室光照强度检测模块

此部分由一个滑动变阻器、A/D转换芯片(ADC0808)[12]构成,由滑动变阻器来模拟光线的强弱控制,通过A/D转换后将模拟量转化为单片机可以处理的数字量并且信号通过P1口来传递给AT89C52单片机进行处理。

2.4 灯控模拟模块

本控制系统用4个按钮分别来表示进出门情况、强制开关、模式开关。强制控制与自动控制模式的转换按钮功能如下:先按下MODE再对FORCE键进行控制,当按下MODE后第一次按下FORCE时灯控区有一半的灯亮;第二次按下FORCE时灯控区灯全亮;第三次按下FORCE时灯控区的灯全部熄灭;当你再次按下MODE键时FORCCE键就失效了,只有再次按下MODE它才可以控制。

3 系统程序设计

系统软件设计主要完成采集红外传感器的信号和根据当前设置状态自动对教室内灯光系统进行控制。主要包括处理、键盘扫描、数据处理、结果显示。

4 结束语

通过对目前教室灯光控制的发展趋势和控制管理需求的分析,介绍了基于STC89C52单片机的灯光智能控制系统的软硬件组成,对传统的灯光控制系统进行了智能优化改进。其主要特点是电路结构简单、工作稳定可靠且成本相对比低。

参考文献

[1]靳达.单片机应用系统开发实例导航[M].北京:人民邮电出版社,2003.

[2]孟立凡,蓝金辉.传感器原理及应用[M].北京:电子工业出版社,2007.

[3]华成英,童诗白.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2001.

[4]谭浩强.C程序设计[M].北京:清华大学出版社,1999.

[5]潘新民,王燕芳.微型计算机控制技术[M].北京:电子工业出版社,2002.

精品课程录播教室灯光系统的设计 篇2

摘 要：精品课程录制已经成为各个高校教育技术中心的一项重要任务。在录制过程中，笔者发现一些灯光方面的问题影响录制效果，把原来录播教室的普通照明改造成为三基色荧光灯照明系统后，录制效果大为改善。

关键词：精品课程录制三基色色温

中图分类号：G250.73 文献标识码：B 文章编号：1673-8454（2009）09-0055-02

一、引言

精品课程建设是高等学校教学质量与教学改革工程的重要组成部分，近年来受到国内高等院校的高度重视。精品课程建设带动和引领了高校课程的建设与发展，促进了教学水平的持续提高。根据《国家精品课程建设工作实施办法》关于精品课程评审“需要在网上提供不少于45分钟的现场教学录像”的规定，搞好精品课程建设,除了要做好精品课程的教学队伍建设、教学内容建设、教学方法和手段建设、实验建设、教材建设和机制建设六大方面的问题外，精品课程的教学录像录制也非常重要。[1] 精品课程录制因此成为各个高校教育技术中心的一项重要任务，它不仅要客观反映教学的全过程，还要表现教师的教学思想和教学艺术，把优质的教学资源和教学水平展现出来。[2]

在录制过程中，发现拍摄的图像对比度较低，色彩暗淡，还原度差。同一间录播教室，上午和下午，晴天和阴天的录制效果差别也很大。由于现在的精品课程录播系统都是很成熟的产品，采用的摄像设备都是专业级的，录播效果不好的原因和录播教室的环境有很大的关系。由于录播教室的灯光布局很不合理，整体照度不理想,很大程度上影响了录制效果。

二、录播教室灯光的基本技术参数要求

精品课程录播教室一般是由普通教室改造而成的，灯光系统都很简陋，仅满足基本照明要求。改造成为精品课程录播教室后，要全程录制教师的授课过程，包括板书、多媒体课件以及师生互动。因此，要达到良好的摄像效果，灯光系统必须满足一些基本参数要求。[3]

1.照度（单位：勒克司，lx）

按照摄像机标准图像的规范要求，整个教室平均照度在600到1000lx时，摄像机输出的视频信号可以达到广播级。

2.色温

对于精品课程录播教室，平均色温5300K以上即可满足要求，显色的相对指数要求在85以上。[4]

3.光源

光源可选用持续恒定的冷光源：三基色荧光灯，此光源有光线柔和、阴影淡化、不眩目等特点，而且不增加室内温度。

4.灯具高度

灯具应距离课桌平面1.6米～2.5米之间，灯具太高会影响照度，太低则会影响光线的均匀度，并有可能阻挡摄像镜头。

5.均匀度

灯光照射应覆盖整个教室，不应出现光线照射不到的死角。

三、三基色荧光灯照明

三基色是指红、绿、蓝三种基本色光，三基色荧光灯就是在灯管上涂有三基色稀土荧光粉，并填充高效发光气体制成的。

三基色荧光灯通过绿系的光提高灯的效率，再加上蓝系和红系的光，并对三种色光适当进行平衡，从而成为具有高光效和高显色性能的新型荧光灯。它属于气体放电光源，是通过一定的电压作用在惰性气体上产生真空紫外线，激发荧光粉而间接发光的。三基色荧光灯的光色是由三基色按照不同比例合成的，有多种色温可以选择。[5]

1.色温分类

（１）暖色光：色温在３３００Ｋ以下，暖色光与白炽灯相近，红光成分较多，能给人温暖、健康、舒适的感觉，适用于家庭、住宅、宿舍、宾馆等场所或温度较低的地方。

（２）冷白色光：又叫中性色，它的色温在３３００Ｋ～５３００Ｋ之间，中性色由于光线柔和，使人有愉快、舒适、安详的感觉。适用于商店、医院、办公室、饭店、餐厅、候车室等场所。

（３）冷色光：又叫日光色，它的色温在5300K以上，光源接近自然光，有明亮的感觉，使人精力集中。适用于办公室、会议室、教室、绘图室、设计室、图书馆的阅览室、展览橱窗等场所。

2.三基色荧光灯照明的特点

（１）显色性高

三基色荧光灯采用优质的三基色稀土荧光粉及特殊配方的双涂层技术，显色的相对指数高达85以上，使被照物体层次更分明、颜色更艳丽、表现更逼真，使人的眼睛更舒服。

（２）寿命长、材耗低

三基色荧光灯采用三螺旋灯丝、阳极保护环，内充氪气。该技术能使灯管性能更稳定，平均寿命达到15000小时，而且光衰更慢，10000小时流明维持率高达91%。[6]

（３）节能环保

三基色荧光灯的光效高达93lm/W，比普通荧光灯节能30%以上，比传统低效照明产品节能60%~80%。[7]

四、精品课程录播教室灯光的改造设计

改造之前的精品课程录播教室为普通教室，录播教室的结构如图1所示，原灯光为普通日光灯照明。根据录播教室的灯光要求，合理布置三基色荧光灯基本可满足拍摄条件，因此选用三基色荧光灯进行改造。

考虑到精品课程录制的主体是教师和学生，因此主要对这两部分的灯光进行改造，灯光全部采用三基色荧光灯。

1.教师授课区灯光的改造

为保证授课区的光照度和均匀度，清晰拍摄授课教师和黑板板书内容，在讲台上方安装均匀分布的6组格栅灯，共12根三基色直管荧光灯管。这6组格栅灯每两组受1路开关控制，一共有3路开关，如图2所示。设立3路开关的目的是为了满足一下录播状态：

（１）当录播教室作为普通教室使用时，闭合开关２，关闭开关１和开关３，满足普通照明。

（２）当录播教室进行录播，需要多媒体投影时，闭合开关２和开关３，关闭开关１。这时如果闭合开关１，会增加投影屏幕的亮度，使其对比度减弱，投影银幕变得很模糊，录制效果很差。

（３）当录播教室进行录播，不需要多媒体投影时，开关1、开关2和开关3全部闭合，增加授课区光线的照度和均匀度。

2.学生区灯光的改造

对于学生区的灯光改造，要考虑整体灯光的照度和均匀度。需要在原来普通灯光照明的基础上，对灯光进行扩充，由原来的6组栅格灯增加到12组，共24根三基色直管荧光灯管，并对扩充后的灯光进行均匀分布。

这12组格栅灯每6组受1路开关控制，一共有2路开关，如图3所示。设立2路开关的目的是为了满足以下录播状态：

（1）当录播教室上普通课，不需要录播时，闭合开关1，满足普通照明。

（2）当录播教室进行录播时，开关1和开关2全部闭合，增加学生区的整体照度和均匀度。

五、灯光系统改造效果和结论

把录播教室的灯光改造成三基色荧光灯系统，不需要对录播教室原有走线和装修做大的改动，节省资金，改造费用很低。经过改造的精品课程录播教室照度充足、光线柔和、均匀，精品课程录像画面干净、漂亮、层次清楚、立体感强，去除了外界自然光的影响和干扰，录制效果大为改善。

考文献：

[1]教育部国家精品课程建设工作实施办法[Z].教高厅[2003]3号文件.

[2]陈中全.对精品课程课堂录像片摄制的探讨[J].广西中医学院学报，2008(3)：133-134.

[3]中岛龙兴.照明灯光设计[M].北京：北京理工大学出版社，2003：9-23.

[4]沈岳清.冷光源应用于新闻演播室的布光思路[J].电视技术，2001(11)：93.

[5]康艺弘.三基色柔光灯在我台新闻演播室的应用[J].视听界广播电视技术，2007(2)：37-39.

[6]管俊.冷光源在演播室的应用[J].西部广播电视，2002(8)：36-37.

教室灯光自动控制系统 篇3

1 目前我国高校教室照明资源的控制管理存在的问题

1.1我国高校师生的节能意识有待加强

目前我国的各大高校都在大规模地扩大招生, 为了满足教育教学的需求, 各高校加大了资金投入扩建教学场地, 这使教室内的照明灯具也同比例增加, 增大了高校教室灯光的耗电量, 导致高校的电能供应负担过重。与此同时, 我国高校师生的节能意识仍有待加强, 教室“长明灯”现象屡见不鲜, 往往上课结束后师生都离开课堂了但灯却一直亮着, 浪费了学校的照明资源, 不符合节能环保的可持续发展的要求。因此, 各大高校应该从节能的角度科学合理地规划建设, 不断加强学校师生的节能意识, 加强高校教室照明资源的管理。

1.2我国高校教室灯光的智能控制不完善

随着我国社会经济的不断发展, 现代自动化程度的不断提高, 高校教室灯光的控制管理也应朝着自动化、智能化方向发展。但是我国高校教室灯光的智能控制还不够科学完善, 仍采取的是传统的人工手动管理机制, 照明资源的浪费现象比较严重。各大高校教室的数量日益增多, 单凭人工管理是不切实际的, 人工管理具有一定的局限性和失误性, 对教室的灯光控制管理不可能做到面面俱到, 这样势必会造成高校照明资源的浪费, 不利于学校的良性发展。因此, 我国要不断完善高校教室灯光的智能控制系统, 不断更新管理技术, 提高照明资源的利用率, 以此推动高校教室灯光控制的自动化、智能化的发展。

2 高校教室灯光的智能控制系统设计的具体操作

2.1加强高校教室灯光的硬件设施管理, 提高教室灯光的用电效率

为坚持贯彻能源可持续发展战略, 我国启动了绿色照明工程, 使我国的能源产品结构逐步向节电型转变。我国高校教室照明资源的浪费现象比较严重, 为了加强我国高校教室灯光的硬件设施管理, 提高教室灯光的用电效率, 教室灯具应该实现从普通白炽灯到高效节能灯的转变。采用高效节能灯代替传统的低效照明灯是绿色节能最直接有效的手段, 不仅大大提高了高校教室灯光的用电效率, 而且大大提高了高校教育教学设施的先进性。通过大量装备节能灯具, 采用节能新技术, 有利于高校教育的人性化发展, 也有助于不断完善我国高校教室灯光的智能控制管理系统。

2.2加强高校教室灯光的软件设备管理, 提高灯光控制管理的智能化水平

灯光的智能控制系统是指对灯光进行自动化、智能化的控制与管理的系统, 它可以实现灯光的软启、调光、一键场景、一对一遥控及分区灯光全开全关等管理, 通过计算机操控来对灯光进行高级智能控制, 从而达到节能环保的功能。

随着我国社会经济的快速发展, 自动化、智能化的电子产品逐渐代替传统物质产品成为了人们生活的主流, 高校教室灯光的智能控制系统作为现代信息智能系统的一个重要分支, 具有高效节能、控制灵活、管理方便的优势, 是创建易控制、低成本的灯光智能控制系统的有效途径。加强高校教室灯光的软件设备管理, 提高灯光控制管理的智能化水平, 最主要的途径是利用先进电磁调压以及电子感应技术来改善照明电路中不平衡的负荷所带来的额外耗电量, 提高灯光设备的利用率, 优化教室灯光的照明控制系统。

2.3我国高校教室灯光的智能控制系统的总的设计要求

高校教室灯光的智能控制器主要是以单片机为控芯片, 实现整个灯光系统的控制功能。通过传感器来判断教室是否有人在;通过电阻感应器来判断教室的光线强度是否适宜;通过单片机的综合判断来实现开关灯以及灯光强弱的调节;最后通过这一系列的操作来完成对教室灯光智能化的掌控。灯光的智能控制系统如此设计符合高校教育教学的需求, 体现了高校教室灯光的智能控制系统人性化、自动化、智能化的设计意图。

随着我国社会经济的不断发展, 现代自动化程度的不断提高, 高校教室灯光的控制管理也应朝着自动化、智能化方向发展。高校教室灯光的智能控制系统设计实现了照明人性化、自动化和智能化的要求, 提高了高校照明资源的管理水平, 确保了高校用电质量;提高了照明资源的利用效率, 坚持贯彻了节约能源的可持续发展观的要求。因此, 各大高校必须坚持从实际出发, 采用灯光智能控制系统合理控制教室灯光的耗电量, 提高照明资源的利用率, 不断推动我国社会经济的可持续发展。

参考文献

[1]周瑶.高校教室灯光节能控制系统的设计[D].郑州大学, 2010.

[2]李彬彬.基于Zigbee的高校教室智能照明控制系统的研究[D].哈尔滨商业大学, 2012.

教室灯光自动控制系统 篇4

当前,随着经济的飞速发展,能源短缺问题日益突出,成为一个国家经济发展的"瓶颈"。作为工业生产和人民生活不可或缺的电力能源更是如此。尤其现今越来越提倡低碳生活,节约能源已经成为一种全球共识,而作为培养社会精英的高校更应该起到榜样的作用。但是目前在校园内,教室灯火通明,却空无一人的现象屡见不鲜,这不仅造成了严重的资源浪费,也对高校的形象造成了很坏的影响。本文所研究的教室灯光控制系统就可以很好地实现节约能源的作用。

1 系统硬件组成

整个系统由中央控制电路、2×4按键电路、光敏传感电路、继电器驱动电路、时钟电路、液晶显示电路六个模块组成。其中,光敏传感电路模块主要完成对教室当前光线明暗程度的判定,时钟电路主要实现时基功能,两者分别提供光照和定时数据供以单片机为核心的中央控制模块进行逻辑判断,单片机最终将运算结果输出到液晶显示屏,同时对教室灯光进行控制。整个系统的硬件框图如图1所示。

1.1 中央控制模块

系统中,中央控制器主要用于接收两个外部数据,由此判断是否定时时间已到,教室光照是否充足。控制器根据这两个外部数据来进行逻辑运算,从而实现定时开关灯、刷新液晶显示屏,同时可以通过键盘设置时间日期、查看相关信息。

根据系统设计要求,控制器选择了宏晶科技公司提供的STC12C4052AD型单片机。该款是一种高速、高可靠性单片机,工作电压5.5~3.4V,Flash程序存储器4K字节,SRAM为256字节,2个定时器,8路8位A/D转换器,可通过串口实现在线编程、A/D转换、看门狗等功能。

1.2 液晶显示电路

为了实现较好的人机交互界面,在本系统中采用1602液晶显示屏来显示用户的设定作息时间及用户所查询的信息。

点阵字符型液晶显示器是专门用于显示数字、字母、图形符号及少量自定义符号的显示器。这类显示器把LCD控制器/点阵驱动器/字符存贮器全做在一块印刷板上。系统选用日立公司的HD44780液晶显示。HD44780具有简单而功能较强的指令集,可实现字符移动/闪烁等功能。与MCU的传输可采用8位并行传输或4位并行传输2种方式。液晶显示电路如图2所示。

1.3 其他电路

按键电路主要由一个2×4的按键阵列组成,主要用于完成作息时间、当前时间、定时时间段的设定。光敏传感电路实现教室内光照强度数据的采集,其门限值可通过可调电阻调节。指示灯主要实现对系统工作状态,如系统工作于自动控制模式还是强制模式,灭灯或亮灯状态等的指示。

2 系统工作原理

本系统能够采集室内光照强度数据,并结合学校作息时间对教室灯光进行实时控制,达到方便和节约能源的目的。电路存在两种工作模式:自动控制模式和强制模式。

2.1 自动控制模式

系统复位默认工作在自动控制模式,当教室内自然光线弱,光敏传感器把感应到的光强信号送至单片机处理,输出照明命令,则打开教室灯光,但因系统定时关灯时间与学校作息时间一致,因此在非需要开灯的时间段内,教室灯光自动关闭,达到节约用电的效果。

系统考虑到如果教室外自然光很强,但因某种需求需要拉上窗帘,这样室内光照就不太理想,需要开灯,因而设置了两路光敏传感器,一路探测室内光强,一路探测室外光强,这体现了系统设计的灵活性。

2.2 强制模式

系统正常工作的情况下,通过按下强制按钮,就能对灯进行强制开关的控制,通过该按钮也能使电路切换回自动控制状态。设置强制按钮主要考虑到有时需要对灯进行强制控制,例如需要在教室通过投影仪观看电影时,为达到最佳的收看效果,需要关上灯。

3 软件设计

系统采用STC12C4052AD单片机作为控制的核心,负责整个系统的逻辑运算,因此软件设计是系统能否稳定运行以及能否实现设计功能的关键。本系统中STC12C4052AD单片机主要完成接收外部数据、处理数据、输出控制数据。所以软件的重点是:如何接收外部数据,如何处理以及如何输出控制数据。

因此,在该软件实现中我们采用了模块化的方案,整个软件设计由初始化模块、键盘接收模块、中断处理模块、数据显示模块和定时输出模块五个模块组成,系统程序主流程框图如图3所示。

初始模块主要完成I/O口、定时/计数器、中断以及液晶显示屏的初始化,键盘接收模块主要用于接收初始变量,如当前时间、作息时间等的设定。同时也接受相关数据的查询,

如查询设定好的作息时间、光照阈值等,数据显示模块用于显示当前的时间、定时开关时间以及用户要查询的相关数据。

4 调试和总结

在整个系统设计完成之后我们在调查研究的基础上,对什么光线情况下应该开灯及系统在根据学校的作息时间上进行了设定验证、调试,结果显示本系统可以稳定运行且效果理想。

本系统主要应用于教室的灯光控制,但是对于一些公共场合,如会议室、办公室、楼道等场所,只要在本系统的基础上稍加改动,也可以很好地满足其需要,因此本系统的可移植性好,具有比较大的市场潜力和广泛的应用前景。

参考文献

[1]张志良.单片机原理与控制技术[M].北京:机械工业出版社,2001.

[2]刘波.单片机与液晶控制器的接口设计[J].机械工程与自动化,2006(4):63-64,67.

[3]周燕,覃如贤.教室灯光智能控制系统[J].西南科技大学学报,2005(1):11-14.

基于物联网的教室灯光智能调节系统 篇5

物联网在今天得到了飞速的发展和应用, 它被视为是未来智慧城市的重要基础和关键技术。我国政府也正积极推广物联网和智慧城市的应用和发展。为了能更好地为学生提供良好的学习环境, 基于物联网的灯光智能调节系统正被逐渐地引入我国学校教室里。使用这种灯光智能调节系统, 教室内的灯光强度将有别于传统灯光设备的固定灯光强度, 而是根据当前室内教学环境对灯光的不同需求, 结合对室外光源或教室环境改变的感知, 自动地调节室内光源的强度, 以达到期望的光照条件。这一方面保护了学生的视力健康, 一方面节约了能源。这也正是我们研发该系统的根本原因。

在接下来的文章中, 我们将详细介绍基于物联网的灯光智能调节系统的基本原理、组成模块和组成结构。

2 基于物联网的教室灯光智能调节系统

2.1 基本原理

光照强度 (illumination) 的定义是单位面积上所接受可见光的光通量, 其单位为勒克斯 (Lux=lm/m2) 。当物体被光均匀照射的时候, 在1 平方米面积上所得的光通量是1 流明 (lm) 时, 该物体的照度是1 勒克斯。如果设面元d S上的光通量为, 则此面元上的照度E可以通过计算得到。对于我们所感兴趣的教室环境, 其平均照度Eav的计算公式为:

其中为光源总光通量, CU为利用系数, 一般室内取0.4, MF为维护系数, 一般取0.7~0.8, S为目标面积。例如, 室内照明场景, 5m×6m的房间, 使用3×36W的灯具12套, 则平均照度可以计算为Eav= (2500×3×12) ×0.4×0.8÷ (5×6) =960Lux, 即平均照度不足1000Lux。

因为室外的阳光或者室外的光源会透过教室的窗户为教室内提供部分的光照, 所以教室内的光照强度由两部分组成:室外光对室内的光照强度Eout和室内光源对室内的光照强度Ein。于是, 教室的平均光强又可以写成:

其中Ein可以由公式 (1) 计算得到。因为室内的光照强度需要保持在一个稳定值附近, 而室外提供的光照强度Eout会随时间、天气和环境等因素变化, 所以Ein的值也需要随之改变以使得总的光照强度Eav保持稳定。为了实现教室内灯光的智能调节, 我们引入物联网技术, 设计了这套基于物联网的教室灯光智能调节系统。

该系统主要由以下几个模块组成:室内光强感知模块、模式选择模块、红外探测模块、智能控制模块、亮度可调灯光模块、通信模块。下面的章节将逐个介绍每个模块的功能及设计。

2.2 室内光强感知模块

该模块由照度仪和通信模块构成。我们的系统初步计划采用成熟的照度仪产品, 如台湾泰仕TES-1332A照度仪。它提供接口, 可以将采集的测试结果输出到通信模块中, 再由无线通信模块传输结果到智能控制模块。

事实上, 由于灯光设备布置的问题, 以及外部光源对教室不同位置光强的影响不同, 可能造成室内的光强分布并不均匀。这就要求多个 (至少两个) 照度仪被布置在教室的不同位置, 比如黑板、教室中央、教室边缘等。所有照度仪的数据采集结果每15 分钟被传输一次到控制模块, 采集结果被记录为Eav1, Eav2, ……对于系统当前的灯光强度要求, 灯光智能调节系统能控制室内光源的强弱变化, 以使得更新后的Eav1, Eav2, ……值均保持在当前照度标准值的+/-3% 以内。

随着系统的进一步发展, 我们计划采用简单的光强传感器来代替成品的照度仪, 这样可以大大地节约系统的成本, 当然代价是光照强度的采集精度下降。然而, 只要光照强度的采集精度仍然控制在有效的范围内, 系统则依然可以正常工作。

2.3 模式选择模块

事实上, 教室里对灯光亮度的要求并不是一成不变的, 比如在使用投影仪的时候, 就需要降低室内的灯光亮度。于是我们的智能灯光调节系统专门针对教室不同的使用情形设定了不同的模式, 不同模式对光照强度的要求不一样, 而不同模式之间的切换由模式选择模块完成。

目前, 我们的系统打算使用按键控制不同模式的切换, 不同模式的按键被按下的时候, 智能控制模块的平均光强的阈值设置被更改为表1 中对应的照度标准值。在未来, 我们计划进一步开发智能编程的模块选择模块, 这样用户可以根据自己的实际需要, 添加和修改灯光模式和它们对应的照度标准值。

2.4 红外探测模块

在教室的黑板右上角设置一个红外探测传感器, 其作用是为了探测教室内有无活动。因为当教室中没有人后, 从节电的角度出发, 我们的系统需要智能地检测出教室中没有学生的状态, 并自动地关闭教室光源。当教室中没有物体移动超过15 分钟, 红外探测模块会向智能控制模块发送关闭灯光的指令。当教室中有物体移动时, 该模块会向控制模块发送开启灯光的指令。

2.5 智能控制模块

该模块是整个系统的核心模块, 因为它负责接收室内光强感知模块采集并发送过来的光强数据, 并根据当前的光强大小和目标的光强大小, 计算出室内灯光光强需要调整的方向和幅度, 然后将控制指令发送到亮度可调灯光模块以调整灯光强度。同时, 该模块要相应来自模式选择模块的模式设置指令, 根据不同的接收指令, 更新当前室内光强的阈值标准。当智能控制模块接收到来自红外探测模块的关闭灯光指令时, 它会发送控制命令到灯光模块以关闭灯光。同样, 如果控制模块收到红外探测模块开启灯光的指令, 它会根据当前的灯光状态决定是维持灯光还是开启灯光。

2.5 亮度可调灯光模块

采用市面上成熟的光强可调节LED照明模块。基本原理为根据不同的光强要求, 实现LED等两端的电压控制, 以达到调整光强的目的。亮度可调灯的基本电路如下图所示, 它是一个由单向晶闸管组成的开关式调压电路。通过调整RP的阻值可以调整电路的关断时间, 关断时间越短, 输出电流、电压越大, 因此达到调压的目的。具体的电路分析可以参考相关教材。如图1 所示。

2.6 通信模块

在我们的系统中, 通信存在于以下的模块之间, 且不同模块之间的通信方式的选择如下表所示:

2.7 系统框图

如图2 所示。

3 结论

本文主要介绍了一种基于物联网的教室灯光智能调节系统。该系统具有多功能、自动化、智能节能等特点。系统利用感知模块、通信模块、灯光调整模块和智能控制模块之间的协作实现对教室内灯光强度的自动按需调节。

摘要：为了能更好地控制教室内的灯光强度, 我们开发了基于物联网的教室灯光智能调节系统。该系统可以实现室内灯光的自动调节以保持室内平均光强的稳定, 不随室外光强和教室环境变化的影响。同时, 该系统可以根据教室的不同使用目的, 设置对应的光强需求, 以调整教室内的平均光强。此外, 该系统的红外探测模块还可以持续的监视教室内学生的活动情况, 当学生离开教室后, 系统能自动地关闭灯光以实现节能的效果。该灯光智能调节系统主要由室内光强感知模块、模式选择模块、红外探测模块、智能控制模块、可调灯光模块和通信模块组成。

关键词：物联网,智能调节系统

参考文献

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[3]万雄, 余达祥.大学物理[B].科学出版社, 2011.

[4]可调亮度灯的工作原理http://www.gogddq.com/html/s55/2012-05/994811.htm

视频与灯光系统交互融合的控制技术 篇6

长期以来, 影视舞台表演系统 (包括剧场、电视演播厅和综艺演出等) 设备都是按照音响、灯光、视频和舞台机械等系统进行分类, 并有各自相对独立的控制技术和系统。近年随着技术的进步和设计观念的更新, 出现了视频系统和灯光系统两个领域控制技术相互融合并迅速发展的新动向。一方面, 灯光与视频都能反映人的视觉感受, 另一方面, 灯光和视频两者的控制技术本身就有着比较近似的模式, 从而为视频系统与灯光系统控制技术的融合提供了有利条件。

视频系统与灯光系统控制技术的融合大致可分为两个方向, 一是视频技术控制灯光系统, 二是灯光技术控制视频系统。

2 视频技术控制灯光系统

视频控制灯光的技术是源于LED。最早研制出来的LED只有红色和偏黄的绿色 (又称黄绿色) , 其定位是“灯”, 称为LED灯。早期LED的光通和光效都很低, 仅用于指示灯、信号灯以及显示文字和简单图案的单色显示屏, 至今仍见于车站、码头、银行、公交等场所的告示栏和广告牌。

随着LED的光通、光效和色彩等性能指标的逐步优化, 推出了以红色和黄绿色2种LED灯作为“像素”、通过视频信号控制组成“双基色”的LED视频显示屏, 由此开拓了视频技术控制灯光系统的新领域。但由于像素中缺少蓝色LED, 显现的图像偏黄绿色, 视觉效果不佳, 仅用于某些要求不高的户外广告和体育馆的记时记分显示屏。

20世纪90年代, 先后研制成功的高亮度蓝管、纯绿管和白管, 促使LED在灯光 (照明) 和视频 (显示) 两个领域分别登上新的台阶。在舞台照明系统采用了DMX-512数字信号控制, 在景观照明系统则广泛采用数字程序控制。典型的产品如内置微处理器的LED数字管形灯 (LED digital tube lamp) , 又名轮廓灯, 广泛用于立交桥、各类景观和大厦轮廓照明。数字管形灯虽能组成简单的文字、图案和“粗线条”的变幻图形, 但仍未脱离“灯”的功能[1]。

LED在某些领域已跳出了“灯”的范畴, 如采用红、绿、蓝 (加上白) LED作为像素, 在视频信号和计算机 (如VGA) 信号控制下构成全彩色 (RGB三基色) 、高亮度的大型视频显示屏, 已成为视频控制LED“灯”的成熟技术。2003年初, 为了布置著名女歌星席琳·狄翁的演出, 美国拉斯维加斯市凯撒宫大饭店的罗马大剧院专门建造了一块高10 m, 宽34 m, 装有532.48万个LED像素的巨型LED视频显示屏, 作为全场演出的背景幕, 取代传统舞台天排灯和地排灯的照明功能。这一创举对全球演艺界特别对舞台灯光和舞台美术领域的传统观念带来颠覆性的冲击。随后2006年第15届多哈亚运开幕式, 以及2007年北京庆祝香港回归10周年的文艺晚会等, 舞台全部采用LED特大显示屏作为背景天幕。特别是2008年北京奥运开幕式中, 长147 m, 宽22 m, 由44 000个LED组成的“地面卷轴”, 堪称视频控制LED灯光技术的巅峰之作。有关LED显示屏技术的进一步讲述可参阅文献[1]。

3 灯光技术控制视频系统

人们也在积极探索灯光与视频结合的另一种方式, 如何用灯光技术去控制视频设备与系统。最早是在各种电脑灯 (即计算机控制灯, 行业内普遍称电脑灯) 中加入一些活动的文字、图案以及场景。进一步通过摄像头与控制系统加入了“互动”的功能, 如在地面投映出的鱼群可以在观众的脚踏、追逐下而游动, 地面的“足球”可以在双方队员的对抗下满场滚动等饶有趣味的场景。这一类称为“互动投影”的产品为灯光与视频控制技术结合的“初级阶段”。

灯光控制视频技术的突破, 当属2003年继第一代传统常规灯具 (聚光灯、泛光灯) 和第二代电脑灯具之后出现的第三代新型灯具———多媒体数字灯, 简称数字灯 (Digital Lighting, DL) 。在2008年北京奥运开幕式上, 由63套数字灯创造出“鸟巢”的高14 m, 长500 m的巨大“碗边” (空中环幕) 的视频画面, 加上8套数字灯在直径18 m的“地球”上投映出五彩缤纷的图像。2009年央视春节联欢晚会上则由17套多媒体数字灯“扫描”出变幻的舞台场景。这些都曾给现场和亿万电视观众以巨大的视觉冲击。

4 数字灯的基本结构———从电脑灯到数字灯[2,3]

图1显示了传统电脑灯的内部结构。图中右侧灯泡发出的光线经过反光镜和透镜组的处理, 最后经变焦系统射出。中间是通过由DMX512数字信号控制的步进电机带动多组图案片、色轮、光阑、棱镜转盘、RGB变色系统等一系列的光学机械部件, 从而使电脑灯呈现出变色、变光、变速、变图案等效果。电脑灯雄踞影视舞台近30年, 但脱离不了机械结构的制约。人们一直在探索, 能否用视频格式取代上述的机械格式。即开发一种把电脑摇头灯技术与投影机技术相互结合的新型设备和系统。近年出现的多媒体数字灯应视为这一探索的初步成果。

图2显示了High End公司开发的第二代数字灯DL.2的组成结构。它由视频投影装置、水平垂直移动机构、媒体服务器、专业摄像机和红外夜视装置等部件组成。

数字灯主要包含以下关键技术:

1) 计算机技术:控制系统的核心配置———媒体服务器, 可存储和重放DVD视频信号和计算机VGA信号, 包括文字、图案、动画、影像以及摄像头在现场拍摄的画面、视频素材和艺术渲染的效果图像等, 取代传统电脑灯的图案片、色轮等结构。从这个“灯具”投射出来的效果都是经计算机数字化手段创造的, 称为“素材”或“媒体”的节目。同时提供图像融合、曲面校正和其他特效等图像处理功能。

2) 摇头灯 (或轨道镜) 技术:使投影机投射出来的图像素材能够接受DMX信号的控制, 通过调光台操控, 在一定范围内活动起来, 灵活地投映到屏幕以及舞台、顶棚、墙面、道具、天幕, 包括弧形、球形等特殊曲面的任意位置, 使整个场地成为灯光师和舞美设计师发挥创意的巨大空间。还可以通过DMX信号控制步进电机来改变投影机的变焦、对焦和其他一些参数。

3) 视频技术:包括高亮度投影机或外接等离子屏、LED屏、液晶屏等, 可投射出高清数字电视质量的画面。多数数字灯还配置一套带红外夜视功能的摄像机, 可以拍摄现场的人物和景物, 即时由投影机投射出来。

5 数字灯的基本功能

数字灯具备的主要功能包括摇头电脑灯功能、图像处理功能和实时素材编辑功能等。下面以数字灯DL.2为例作简要介绍。

5.1 系统功能

DL.2系统功能有:

1) 数字灯所配置的软件可以对多个媒体服务器和多种型号 (如DL.2, DL.3等) 的数字灯进行远程管理。

2) 支持DMX512及Art-Net协议。

3) 有超过1 000幅内置数字艺术图片素材。

4) 支持导入客户定制的素材, 包括3D图形、媒体文件及静态图像等;S-Video接口使它可直接接收多种媒体设备的输入。

5.2 图形引擎功能

图像引擎功能有:

1) 可在独立的2D/3D图像上进行3个离散流媒体的同步重放, 每个流媒体有30个物体参数可用于图形控制, 可选择多种播放方式及播放速度;可定义视频的任意一部分, 包括擦写功能;可将多种颜色及可视化效果进行组合, 如Chromakey (去色嵌入) 特效, 可以使用混色将素材分层, 做出去色透明的效果;可以使流媒体之间做出淡入淡出及溶解的效果;可以在X, Y, Z轴上进行图像旋转、定位及放大缩小;还可以在2D/3D图像上应用视频输入或现场拍摄的画面。

2) 35个总参数可以为3个以上流媒体创建的合成图像提供图形控制;可以在合成图像色彩中使用颜色效果, 包括边缘色彩;有多重遮蔽 (mask) 选择;带边缘淡入淡出及频闪功能;可用边缘淡入淡出创建蒙太奇效果;可在输出投影图像中作梯形校正;可使用视点控制在图像中改变观看的角度及透视角度。并有多种模式可以对所有联网的媒体服务器以及DL.2, DL.3等灯具进行同步。

5.3 素材管理程序功能

软件可以在计算机上运行;可以在本地运行也可以通过网络进行遥控;可通过以太网与DL.2, DL.3进行通信;可上载或下载数字素材;可以使用选单命令进行远程配置灯具;可对软件包括素材、应用及操作系统进行升级。

5.4 边缘融合效果

通过边缘融合器, 可以用多台媒体服务器及数字灯创建无缝拼接的大屏幕画面。边缘融合是多图像拼接技术的重要组成部分。当使用两台或多台投影机组合投射一幅画面时, 会有一部分影像灯光重叠出现接缝。边缘融合的主要功能是把两台投影机重叠部分的灯光亮度逐渐调低, 使整幅画面的亮度一致。详情见参考文献[1]。

5.5 曲面支持效果

当图像投射至非平面时 (如凹凸的圆锥体、有角的屏幕、球体及圆盘状表面等) , 可以修正图像的失真。同时可控制用户所需要的修正数量, 控制图像的垂直和水平中心点。

5.6 数字灯的特效

数字灯的特效有:

1) 仿LED效果:将图像用网格及圆周分隔开, 做成LED墙的效果。

2) 仿瓷砖效果:将图像分为方块状的瓷砖。

3) 阴影:在图像的背后做出一个可调大小的阴影效果。

4) 颜色偏移:可以偏移红、蓝及绿的色彩。

5) 虚化:从图像中的某一点进行缩放, 做出虚化效果。

6) 像素效果:将图像分成小的长方形, 再用每个长方形的中心像素的颜色作为整个长方形的颜色。

7) 模糊化:可做出模糊的效果。

除此之外, 还有图像放大、旋转、水平移动、扫描、滚动、抖动和纹理旋转等效果。

6 工程应用实例

下面介绍3个应用数字灯技术的典型工程实例, 供参考。

6.1 例一:基本配置方案

由Whole hog 3灯控台、DP2000 DMX处理器、D-Tek D-Mix视频切分器加上多台DL.2数字灯组成的数字灯系统基本配置方案, 其系统连接参见图3。

Whole hog 3灯控台可以配接8 192台数字灯, 具有图形用户界面和触摸屏功能。DP2000信号处理器的基本功能是通过双绞网线 (100 Mbit/s) 同High End公司 (或其他类似的品牌型号) 灯控台相连, 作为灯控台的DMX扩展而开发的。

6.2 例二:分立式数字灯系统配置方案

DL.2, DL.3等型号的数字灯是将数字投影机、媒体服务器以及摇头电脑灯的移动功能集成到一起, 组成一体化的数字灯。其优点是结构紧凑, 安装调试和操作简单方便, 是数字灯的主流品种。但当在特大的场地空间应用时, 往往会有某些技术指标 (特别是投影机的亮度指标) 未能达到更高的要求。在这种情况下最好的解决办法是采用分体组合 (分立式) 的模式。

图4为一个典型的分立式大型数字灯系统组成框图。该系统的灯控台和切换器、处理器等与一体化的方案并无区别。其最大特点是选用了固定安装的高亮度、高解像度的大型数字投影机, 以解决大型空间场地所要求的视频效果。而为了解决摇头灯的垂直和水平移动功能, 专门在每台投影机上安装特制的轨道镜头。轨道镜头是一个双镜头系统, 安装在高亮度投影机上, 接受灯控台的DMX512信号的控制, 即可在水平250°、垂直360°的范围内, 将影像投射到3D空间的任何一个位置, 还可以通过DMX信号控制步进马达来改变变焦、对焦以及投影机的其他参数。从图4还可以看到奥松 (AXON) 媒体服务器也是脱离灯体而独立设置。这种组合方案已作为成熟技术被广泛应用于大型的音乐会、体育比赛和商业表演等活动, 2008年北京奥运的开、闭幕式的表演就是典型的成功案例。

在开幕式上, 李宁高举祥云火炬腾空飞翔, 在一幅徐徐展开的画卷上矫健奔跑, 这是63台科视数字电影投影机Christie CP2000-ZX组成数字灯投射出的效果。63台投影机采用每组3台叠加, 具有17 000 lm的亮度、2 048×1 080的分辨力、2 000∶1的对比度以及35.2万亿种色彩。它们被安装在第3层观众席前沿, 通过正投方式在环状“碗边”上投射出无缝边缘融合的影像[4]。

图5为一个大型剧院舞台采分立式数字灯系统配置的方框图, 说明如下:

1) 用3台装有奥松轨道镜头的高亮度投影机, 可以组成2×1+1, 3×1, 1×2+1, 1×3等多种图像无缝拼接组合方式, 也可以3台叠加在一起来加强亮度。

2) 利用轨道镜头的垂直水平移动功能可形成多方位的影像画面移动跟踪。

3) 用网络集线器或网络交换机来联接所有的服务器并和计算机组成网络, 以保证多台媒体服务器的集中式文件管理和播放时视频的同步, 也可以上传影像素材。

4) 把所有的投影机用网络线连接起来, 用软件来进行每一台投影机的设备运行状态检测管理。

5) 服务器和轨道镜头全部通过灯控台的DMX信号来控制。

6.3 例三:音响、视频、灯光集成控制表演系统配置方案[5]

在各类庆典活动、综艺演出以及大型的多媒体会议等场合往往都同时配置有灯光、视频和音响设备, 并有各自相对独立的控制系统。图6显示了采用MA Lighting公司的grand MA系列设备运用前述的灯光控制视频系统技术, 采用类似于例二的分立式配置模式, 将灯光 (Lighting, 缩写L, 包括电脑灯控台、常规灯、电脑灯、硅柜) 、视频 (Video, 缩写V, 包括投影机、摄像头、计算机、视频处理单元) 和音响 (Audio, 缩写A, 包括调音台及功放、音箱) 3套系统组合起来, 以灯控台作为控制中心, 操控整个AVL系统有序运行, 通称为音响、视频、灯光集成控制表演系统 (AVL Integrated Show Control Systems) , 简称Show Control。下面对图6进行简要说明。

1) grand MA电脑灯控制台在Art-Net和MA-Net网络的支持下通过网络交换机, 用网线把灯光系统和视频系统的主要设备全部连接起来, 传输相关的视频信号和控制信号。

2) 灯光系统:由控制台的DMX OUT接口输出DMX信号, 连接到DMX数字硅柜以控制常规灯具 (聚光灯、成像灯、PAR灯等) 。如果灯光系统配有网络硅柜, 则由控制台的Ethernet接口通过网线 (经过网络交换机) 连接网络硅柜控制常规灯。与此相似, 电脑灯也是有两种控制方式, 图中画出的网络控制摇头电脑灯是由控制台Etherne接口通过网线经交换机直接控制。如果配置传统的由DMX控制的电脑灯, 则是由控制台的DMX OUT接口通过DMX信号线连接电脑灯 (图中没有画出) 。

3) 视频系统

(1) 视频处理单元 (Video Processing Unit, VPU) 是视频系统的控制中枢, 内置grand MA Video媒体服务器, 依靠MA-Net协议与grand MA控制台实现双向通信。下面以该系列的最新型号MA VPU pro为例简介其配置及主要功能。

VPU配置256 Gbyte SSD的固态硬盘, 可存储和重放全高清的视频及计算机信号, 包括文字、图案、动画、影像以及各种效果的媒体库。VPU同时还具备图像融合、曲面校正、数字特效以及调整视频图像的对比度、饱和度和色调等功能。配置有4个DVI OUT输出接口, 2个全高清SDI OUT输出接口。另外还配有7 in显示屏可实现直观的可视化操作。

(2) grand MA 3D软件:图中显示的实际是一个具有成像功能的效果模拟器, 也是作为用户用作3D舞台布局设置的界面。能对各类灯具包括常规灯、电脑灯及LED灯进行实时的3D呈现———可视化界面。并可对演出进行预编程和将3D成像记录下来做成视频短片。

(3) 投影系统:配置高亮度的固定型投影机。为实现投影的摇头功能, 本方案并非采用例二所用的轨道镜头方式, 而是采用由DMX信号控制的专用设备———摇臂来完成。MA公司生产的摇臂 (参见图6上方中央) 原设计主要是配套灯光系统, 将各类固定型的电脑灯 (或其他灯具) 安装在摇臂上即可通过控制台送出的DMX信号控制, 成为一支摇头灯。现将固定型投影机安装在摇臂上, 同样可达到类似数字灯的摇头功能, 将影像投射到空间的任何位置。从图6可见, 投影机的VGA和Video输入信号是由VPU提供。VPU提供的信号包括本身储存的素材, 以及由摄像头、计算机或外接USB盘 (图中没有画出) 送来的节目信号。

(4) 音响系统:音响系统以调音台为中心, 包括信号源、功放、扬声器和处理设备等。音频节目如果需要与灯光、视频节目同步, 则可以从调音台的MIDI OUT或LTC OUT (或SMPTE OUT) 接口通过专用线缆将时间码连接到灯光控制台的MIDI IN (或LTC IN) 接口即可实现。

综上所述, 由灯光、视频和音响3个子系统组成的集成控制表演系统可以在1台grand MA电脑灯控制台集中操控下有序地运行。图6中显示的系统只有1台投影机和1台电脑灯。实际上如果需要, 可以配置多台灯控台 (或外加NSP网络处理单元) 进行扩展, 即可增加数量庞大的投影机群、电脑灯群以及常规灯具群, 组成大型甚至特大型的AVL集成表演控制系统。

图7为2008年北京奥运开幕式的数字灯控制系统方框图[6]。

7 小结

近年影视舞台表演领域出现了视频系统和灯光系统控制技术相互融合的发展动向, 其中以多媒体数字灯为代表的灯光控制视频系统技术, 以及音响、视频、灯光集成表演系统控制技术等在2008年北京奥运会、2009年春晚等各类庆典活动、综艺演出和大型多媒体会议等场合中的成功应用, 引起视频和灯光业界的关注。这也给视频和灯光两个不同领域的技术工作者提出了学习和研究的新课题。

摘要：介绍了视频控制灯光系统技术 (以LED显示屏为代表) , 重点讨论了以多媒体数字灯为代表的灯光控制视频技术的的原理、特点、功能和系统组合。介绍了2008年北京奥运和2009年春晚等工程应用实例, 列举了音响、灯光、视频集成表演控制系统的组成和运行。

关键词：视频系统,灯光系统,多媒体数字灯,视频处理单元,表演控制系统

参考文献

[1]彭妙颜, 周锡韬.信息化音视频设备与系统[M].北京:人民邮电出版社, 2008.

[2]励丰机构.灯光创作的一场革命[EB/OL].[2009-11-20].http://www.leifull.com.

[3]励丰机构.High end systems[EB/OL].[2009-11-20].http://www.leifull.com.

[4]Christie.Christie at the2008Beijing summer games[EB/OL].[2009-11-20].http://www.christiechina.com/.

[5]ACE.The ultimate solution in communication[EB/OL].[2009-11-20].http://www.acehk.com.

舞台灯光控制系统的相关研究 篇7

关键词：舞台,灯光,控制系统

灯光作为舞台表演中的一个重要组成部分,可以烘托舞台氛围,增强舞台表演效果,同时也有助于满足观众的视觉审美需求。特别是随着自动灯光控制系统的推广,灯光可以全面提升舞台表演的整体质量。因此,对于舞台灯光控制系统的构成及设计进行探究具有重要的意义。

一、舞台灯光控制系统的构成

就舞台灯光控制系统的具体构成而言,其主要包括控制台、控制立柜和信号传输网格等主要组成部分,下面就其具体内容进行详细阐述:

(一)灯光控制台。伴随着弱电控制强电技术的产生,灯光控制台得以诞生,且先后经历了模拟和数字化的发展历程。在电子技术快速发展的今天,计算机技术在主流灯光控制台中已得到了广泛推广和应用,而就其控制对象而言,其主要包括舞台上所涉及到的灯具及相关设备。根据舞台灯光控制对象的不同,可将其分成电脑灯控制台、调光控制台和舞台灯光综合控制台,下面就其具体内容进行详细阐述:1.调光控制台主要是借助调光控制器来调节舞台光源亮度变化的一种手段,具体包括编程和多路调光两个主要组成部分;2.电脑灯控制台可预先编排电脑灯的具体变化动作,以便借助电脑指令来实现光束及其颜色的变换,或者旋转不同形式和色彩的图案,调整色温或进行光斑切割等功能;3.舞台灯光综合控制台可以实现对舞台上不同类型灯具及相关配套设备的全面控制。此外,针对某些比较复杂的舞台灯光控制要求,也衍生出了一些独立控制的控制台技术。

(二)灯光控制立柜。灯光控制立柜主要由可控硅调光器、正弦波调光器以及分布式调光器等调光器构成,针对那些对灯具具有电源要求的控制立柜,其同样具有控制直通电源通断功能。其中的可控硅调光器主要是借助可控硅元器件的特性来达到调光作用的,主要包括模拟和数字两种主要方式。可控硅调光器也存在两个缺点,即可能会使电源波形发生畸形变化,也可能会因电流的突变而产生无线电骚扰。分布式调光器是为了补充固定式调光器而诞生的一种调光器,可充分借助分布式调光器和固定式调光器的优点,提高灯光回路灵活性,同时也可以节省调光器数量,节省成本。

(三)控制信号传输。控制台控制灯光设备的方式主要是借助控制信号,所以在灯光控制系统中,控制信号传输是一个重要的环节。鉴于数字信号传输能力远高于模拟信号传输效率,所以当前灯光控制信号传输大都采用数字信号来进行传输,具体的数字传输协议包含CAN、Art-Net和DMX等常用的几种。

二、舞台灯光控制系统的设计

(一)硬件设计。舞台灯光控制系统的硬件设计主要包括五个部分:步进电机驱动模块、温度采集高温保护模块、无线通信模块、数据处理模块和电源模块。硬件设计的原理,在于借助NRF905型号的无线射频模块,在电脑灯下进行无线远程控制操作。电脑灯系统的主控制器采用LM3S8962型号的处理器,并采用步进电机(两相混合式)作为执行元件,相应的混合电路驱动器主要为L297和L298。硬件系统中的电源模块主要是起到供电保护作用;温度采集高温保护模块可以处理采集得到的光源温度信息,并且相应的处理器可以控制温度风扇的实际转速;无线模块的数据处理主要针对步进电机运行情况来确定;电脑灯硬件中系统包括X轴/Y轴电机定位、控制以及高温保护等多种保护功能。

(二)软件设计。控制系统软件主要包括无线收发模块和PC控制面板模块等,可以使操作人员在PC控制面板上来选择灯光的颜色、亮度及变化等信息。在确定之后,计算机会借助通信协议来将光源的相应控制信息发送给数据处理模块来进行处理。相应地,数据处理模块会将所收集到的控制信息进行分类处理,分时发送处理之后的控制信号,使降温风扇电机和通道步进电机等驱动模块可以接受相应的控制信号。

(三)控制系统仿真。在灯光控制系统的硬件部分和软件部分设计完毕后,要进行仿真分析处理,具体就是通过信号处理模块来控制其精度,并且需要确保驱动方法和控制方法的合理性,否则会对电脑灯控制系统的精度产生影响。此时可以采用非线性关系来对控制电流数据进行优化细分,以便可以均匀布局步进电机,确保所设计的灯光控制系统可以满足使用需求。

三、总结

随着人民生活水平的提升,人们不再局限于物质方面的追求,而是倾向于娱乐等精神层面。与此同时,人们不再满足于单调的舞台表演,对于灯光渲染等也提出了更高的要求。在本次研究中,笔者探讨了灯光控制系统的组成和设计,以期为相关研究提供参考。

参考文献

[1]李钊海.浅议舞台灯光控制系统的设计[J].科技与企业,2015,12(3):90-91.

[2]刘斌.舞台灯光控制技术及其发展[J].时代报告,2015,(12):1-2.

基于PSoC的交通灯光控制系统 篇8

本系统是在最新PSo C Creator3.1开发平台上开发的控制交通的灯光控制系统。并最终在PSo C开发板上得到了硬件实现[1]。PSo C Creator3.1将最新的软件开发IDE与图形设计编译器结合在一起,构成独特的强有力的软硬件同步设计环境。它提供了内容丰富,存有几十个预先配置的模拟和数字外设库,可以方便地放进电路图设计界面并组成强大的系统,该工具自动为所有片上信号分配引脚,还能将I/O分配到最佳引脚[2]。每个外设元件的参数都经过细致的配置,以保证应用效果最好,构建过程为每一个元件产生一个一致的,容易记住的API系列,通过电路综合可以自动把设计转化为可编程电路的配置,使设计过程简略高效。

1 系统构成

本系统是基于数字电路设计方法设计的,采用了自上而下,分模块的设计方法,整个系统可划分为主控电路,时序控制电路,时序发生电路,译码驱动电路等几个模块[3]。时序发生部分由时序控制电路产生的控制信号及不同脉冲频率信号对时间进行控制。本系统结构框图如图1所示。

设计原理,由一条主干道和一条支干道汇合成十字路口,每个入口处放置红、绿、黄三色信号灯。在主支干道设置传感器检测测量车是否到来。主干道处于常通车状态,支干道有车来时才允许通行。主干道和支干道都处于有车状态时,两者交替通行。主干道绿、黄、红灯的显示时间分别为20 s、4 s、10 s。支干道红、绿、黄灯的显示时间分别为20 s、10 s、4 s。需加20 s、10 s、4 s时序脉冲。

2 主控电路

设车辆检测信号为A、B。C、D、E分别为20 s、10 s、4 s时序结束信号。

A=0主干道无车,A=1主干道有车;

B=0支干道无车,B=1支干道有车;

C=0 20 s时序未完,C=1 20 s时序结束;

D=0 10 s时序未完,D=1 10 s时序结束

E=0 4 s时序未完,E=1 4 s时序结束。

模拟传感器输出信号A、B都设为1,即主干道和支干道都处于有车状态。将交通信号灯的显示分为4个状态,表1为4种状态转换表,表示各状态对应的交通信号灯的显示及持续时间。

状态转换码为:S0=00;S1=01;S2=11;S3=10。

我们用2个JK触发器设计主控电路,JK触发器的初态为Q2n,Q1n,次态为Q2n+1,Q1n+1,逻辑赋值后的状态如表2所列。

图2为设计得到的主控电路[4]。Jk_flip为在PSo C Creator3.1上设计生成JK触发器的IP核[5],Qf为。

3 时序控制电路

由JK触发器状态控制,得到时序控制电路[6]如图3所示,其中,b1=B,EN为E。产生的20 s,10 s,4 s时序控制信号分别为CP20,CP10,CP4。

4 译码驱动电路

译码驱动电路真值表如表3所示。

根据译码驱动电路真值表得:

由此可设计译码驱动电路如图4所示。

5 系统集成

利用编译器将图2、3、4原理图集成IP内核center_control见图5所示[7]。

图5为设计得到的交通灯光控制系统原理图[8],输入端A、B、b1设置成1(高电平),a1设置成0(低电平)。

然后进行编译,编译无误后,连接好相应输出,并将程序下载到目标系统中。

图6为引脚分配图,引脚P0[2]、P0[5]、P0[0]、P0[3]、P0[1]、P0[4]分别对应控制电路的G1、G2、R1、R2、Y1、Y2的输出,将它们连接至PSo C开发板上的LED灯。

6 结束语

将程序编译下载到PSo C开发板上后可观察到两组红黄绿灯按设计的发光状态和持续时间点亮,如图7所示,成功地实现了对交通灯光变换的有序自动控制[9]。

通过用PSo C Creator3.1进行原理图编程,实现了电路模块化的方法使原本复杂的设计过程变得精炼,采用系统的可编程设计使在单芯片上实现了复杂自动控制系统成为可能。

参考文献

[1]朱明程,李晓滨.PSo C原理与应用设计[M].北京:机械工业出版社,2008.

[2]何宾.PSo C模拟与数字电路设计指南[M].北京:化学工业出版社,2012.

[3]何宾.可编程片上系统PSo C设计指南[M].北京:化学工业出版社,2011.

[4]康华光.电子技术基础数字部分[M].北京:高等教育出版社,2006.

[5]叶朝辉,华成英.可编程片上系统(PSo C)原理及实训[M].北京:清华大学出版社,2008.

[6]何宾,李宝隆.模拟与数字系统协同设计权威指南:Cypress PSo C集成开发平台[M].北京:清华大学出版社,2014.

[7]ASHHY,ROBERT.Designer’s guide to the Cypress PSo C[M].Burlington,MA,Elsevier Newnes,2005.

[8]韩喜春,高旭东,张春艳.基于PSo C的通用计数器设计[J].黑龙江工程学院学报:自然科学版,2011,25(3):48-52.